（凝聚态物理专业论文）高增益铒镱共掺磷酸盐光纤放大器的研究和制作.pdf

a b s t r a c t ab s t r a c t e r b i u m - d o p e d f i b e r a m p l i f i e r s ( e d f a ) a r e t h e p i v o t a l e q u i p m e n t s i n a l l - o p t i c a l n e t w o r k s . t h e l e n g t h o f t h e s i l i c a t e f i b e r u s e d i n t r a d i t i o n a l e d f a i s o f t e n u p t o s e v e r a l m e t e r s b e c a u s e o f t h e l o w p u m p a b s o r p t i o n e ff i c i e n c y , w h i c h i s a g r e a t d r a w b a c k i n m i n i a t u re a n d i n t e g r a t i o n . i n o r d e r t o r e a l i z e a n e d f a i n a s c a l e o f a f e w c e n t im e t e r s , t h e c o n c e n t r a t io n o f e r 3 + m u s t b e e x t r e m e ly h i g h . u n f o r t u n a t e ly , c o n c e n t r a t i o n q u e n c h in g w il l a p p e a r w h e n t h e c o n c e n t r a ti o n o f 护+e x c e e d s l 0 z s i o n s / m 3 b e r n u c e o f s e v e r e i o n - i o n i n t e r a c t i o n s . r e s e a r c h e s i n d i c a t e t h a t t h e p r o b le m c a n b e s o lv e d b y c o - d o p i n g w it h y b 3 十 a n d s e le c t i n g p h o s p h a t e g l a s s e s as t h e h o s t m a t e r ia l s . t h e a b s o r p t io n c r o s s - s e c t io n o f y b 3 + i s a b o u t o n e o r d e r o f m a g n i t u d e h i g h e r t h a n t h a t o f e r 3 + . t h e y b 3 + w il l a b s o r b m o s t o f p u m p li g h t a n d e ff ic i e n t ly t r a n s f e r th e a b s o r b e d e n e r g y to e r 3 + . t h e s o lu b il it y o f r a r e - e a rt h i o n s i n p h o s p h a t e g l as s e s i s v e ry h ig h a n d th e e n e r g y t r a n s f e r e ffi c ie n c y fr o m y b 3 + t o e r 3 + c a n b e as h i g h as 9 5 % b e c a u s e o f t h e l a r g e p h o n o n e n e r g y i n p h o s p h a t e g l as s e s . t h e g a in c h a r a c t e r i s t ic s o f e r + / y b 3 十 c o - d o p e d p h o s p h a t e fi b e r a m p l ifi e r s w e r e n u m e r i c a l l y s t u d i e d i n t h i s t h e s i s . t h e c o o p e r a t i v e u p - c o n v e r s i o n a n d c r o s s - r e l a x a t io n o c c u r re d a t h i g h e r 3 + d o p e d c o n c e n t r a t io n a n d t h e e n e r g y tr a n s f e r fr o m y b 3 + t o e r3 十 a t e r + / y b 十 c o - d o p e d m a t e r ia l s w e re in v e s ti g a t e d in fi v e - l e v e l r a t e e q u a t i o n s . t h e p o p u l a t i o n d i s t r i b u t i o n s i n d i ff e r e n t e n e r g y l e v e l s w e r e c a l c u l a t e d b y s o l v i n g t h e r a t e e q u a t i o n s . t h e e v o lu t i o n s o f t h e p u m p l i g h t a n d t h e s i g n a l l i g h t a l o n g t h e s t i m u l a t e d fi b e r w e r e s i m u l a t e d b y fi n i t e d i ff e r e n c e b e a m p r o p a g a t i o n m e t h o d ( f d - b p m ) . b as e d o n t h i s m o d e l , th e i n fl u e n c e s o f e ? + c o n c e n t r a t i o n , y b 3 + c o n c e n t r a t i o n , f i b e r le n g t h , p u m p p o w e r a n d s i g n a l p o w e r o n t h e g a i n p e r f o r m a n c e s w e r e d i s c u s s e d . t h e r e s u lt s w e re c o m p a r e d w it h t h a t o f t h e f ib e r s o n l y d o p e d w i t h e r 3 + . i t in d i c a t e d t h a t p u m p a b s o r p t io n e f f i c i e n c y c o u ld b e o b v io u s l y i m p r o v e d 妙 c o - d o p i n g w i th 份十t h e c a l c u la t i o n r e s u lt s d e m o n s t r a t e d t h a t f o r a 3 .6 c m - l o n g f i b e r , t h e g a i n 2 7 . 2 d b , i . e . 7 . 5 6 d b / c m , c o u l d b e a c h i e v e d w h e n p u m p p o w e r w as 2 2 4 m w a n d s i g n a l p o w e r w as - 3 0 d b m w i t h e r 3 + c o n c e n tr a t i o n 2 . 6 x 1 0 z b i o n s / m 3 a n d y b 3 + c o n c e n t r a t io n 1 .2 x l 0 2 7 io n s / m 3 . ab s t r a c t i n e x p e r i m e n ta l p a r ts , a n e w m e t h o d f o r m a k i n g t h e p r e f a b s t i c k w a s p r e s e n t e d t h e p r e f a b s t i c k u n d o p e d w i t h r a r e - e a r th i o n s w a s s u c c e s s f u l l y d r a w n t o f i b e r i n a s i m p l e d r a w i n g t o w e r m a d e b y o u r s e lv e s . b e c a u s e o f t h e u n e x p e c t e d d e l a y i n f a b r ic a t i n g e r 3 + nb3 . c o - d o p e d m a t e r ia l s , w e u s e d t h e f i b e r b o u g h t fr o m a f o r e ig n c o r p o r a t i o n . t h e a m p l i f i e d s p o n t a n e o u s e m i s s i o n ( a s e ) s p e c t r u m a n d t h e a s e o u t p u t p o w e r o f a 1 5 c m - l o n g h i g h g a i n p h o s p h a t e f i b e r i n s i n g l e - p a s s f o r w a r d w a y w e r e m e a s u r e d . t h e g a i n p e r f o r m a n c e s a n d th e n o is e f ig u r e o f 护十 n b 3 十 c o - d o p e d p h o s p h a t e f i b e r a m p l i f i e r s w e r e e x p e r im e n t a l l y r e s e a r c h e d . f r o m a 7 .5 c m - l o n g fi b e r , t h e in t e r n a l g a i n 3 2 .9 d b , i .e . 4 .4 d b l c m , w a s a c h i e v e d f o r s m a l l i n p u t a t 1 5 3 5 n m . ke y w o r d :c o - d o p e d p h o s p h a t e f i b e r a m p l i f i e r , h i g h g a i n ,i on- t on i n t e r a c t i o n , r a t e e q u a t io n s , f i n i t e - d i ff e r e n c e b e a m p r o p a g a t i o n m e t h o d ( f d - b p m) i i i -j t - 大 学 学 tt z 仑文 电 子 荞 反 授 权 使 用 协 1 义 ( 请将此协议书装订 于 论文首页) 论 文 ( 衡 雄 备 鸽 肛 戏砍 葵 -a先 行 fl % t f l 仲 系本 人在 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者 ( 第一作者)，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于 “ 南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺:己提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全了 解 南 开大学图书馆关 于保存、 使用学位 论文的 管理办 法 。同意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版: 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目 录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务 ( 论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电子版于提交1 年后， 在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注:本协议书对于 “ 非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系所名称:* a 州l 蹄 作 者签 名 :荡 学号: 日期 : 口呼01 2- 哟 年 如) ) 日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内 容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本;学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文;学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在 不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 落叶 0 1 ” 夕 年 r 月、 夕 日 经指导教师同意， 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部 5 年 ( 最长6 年， 可少于5 年) 秘密1 0 年 ( 最长 1 0 年，可少于 1 0 年) 机密*2 0 年 ( 最长 2 0 年，可少于 2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的 成果。除文中己经注明引 用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人 承担。 学 位 论 文 储 豁 势 峨 、 y o v ) 年 r 月丫 2 日 第一章 绪论 第一章 绪论 2 0 世纪后几十年， 以 光纤通信为代表的光通信技术迅速取代了原先使用铜 电缆作为传输介质的电传输技术， 极大地推动了人类向 信息社会迈进的步伐。 半导体激光器、掺饵光纤放大器的出现，是光通信发展的一个里程碑，它们为 光通信技术带来了革命性的发展变化。 进入2 1 世纪以来， 将发展全光通信网络 作为当前与未来光通信行业的一个主要研究方向己成为业内共识，这必将刺激 以掺饵光纤放大器等为代表的光纤器件的飞速发展。 第一节 光纤通信发展的历史与未来 光纤通信是目前最主要的信息传输技术，它的真正发展历史只有四十年左 右， 其中 起了 主导 作用的是激光器和光纤的出 现。1 9 6 0 年， t . h . m a i m a n 发明 了 红宝石激光 器 1-2 1 ， 激光 器 产 生的强 相 干光为 现代光通 信 提供了 可 靠的 光 源。 这种单波长的激光可以 像普通无线电 波一样对其进行调制而携带信息。 早期利 用激光的光通信是通过大气传输的，但是发现许多因素如雾、雨、云等等都会 干扰光波的传播，因而只能作短距离通信用3 1 1 9 5 2 年， 在伦 敦帝国 理 工 学院 工作的h . h o p k i n s 和n . k a p a n y 开发出了 用 极细的玻璃制作的光导纤维。每根光导纤维用两种对光有不同折射率的玻璃制 成，一种玻璃形成中央中心束线，另一种玻璃包在中心束线外形成包层。这就 诞生了今天所用光纤的结构， n . k a p a n y 也因 此被称为“ 光纤之父” 。但是 这种 早期的光导纤维损耗太大，不适合长距离传输，不能作为光通信的传输媒质。 直到6 0 年代中期，最好的光学玻璃的传输损耗仍高达1 0 0 0 d b / k mo 1 9 6 6 年， 华裔 科学 家高 馄 ( c . k . k a o ) 和g . a . h o c k m a n 在伦敦发 表了 一篇 对 光纤通 信发展具有 划时 代 意义的 重要论文 a l 。 在文中 他们指出“ 这样大的 传输 损耗不是石英玻璃光纤本身固 有的基本特性，而是由于材料中带有杂质，如含 有过渡金属离子产生的” 。 他们提出如果能将材料中金属离子含量的质量比降低 到1 0 -6 以 下， 损耗将可以降 低到2 0 d b / k m以 下， 那么光纤就可以 用来进行长距 离光通信。他们还指出，这类玻璃的理论最低损耗值比这一数值还要低得多。 1 9 7 0 年， 康宁( c o m i n g ) 公司的f . p . k a p r o n , d .b . k o c k 和d . r . m a u re r 根 第一章 绪论 据高馄博士的思想， 采用 化学气相沉积 ( c v d ) 工艺 制出了 损耗为1 7 d b / k m左右 ( 0 . 6 3 3 g m波长处 ) 的 光纤， 成为世界上公 认的 第一根通信用光导 纤维。1 9 7 3 年 美国b e l l 实验室生产出 衰减为2 . 5 d b / k m的 低损耗光纤，到1 9 7 9 年，日 本茨城 通信研究 所制 造的 单 模光 纤在1 . 5 5 p c n 波 长的 损 耗已 降 到0 .2 d b / k m ， 接近石英 光纤的理论损耗极限。 在光纤损耗不断降低的同时， 光源研究的进展也十分迅速。 1 9 6 2 年， g a a s 半 导 体 激 光 二 极 管 ( l d , l a s e r d io d e ) 问 世 5 1 ， 意 味 着 现 代 光 通 信 有 了 小 体 积的 高 速光 源。 这种光 源发 射的 光 波波长在。 .8 - j0 .9 p m ， 而s i o 2 材 料光导 纤 维的 第 一 个低损耗窗口 也正好 在0 .8 5 p m附近。 但是， 最初的 半导体l d工作寿命极短， 并且要求在低温下工作。 1 9 7 0 年， 美国 和苏联同时报道制成世界首件室温下连 续工作的l d ， 到1 9 7 3 年己 取得在室温下连续工作i 0 0 0 h 的较好结果，1 9 7 7 年 达到7 0 0 0 h 。 利用四 元系 合金i n g a a s p 制造出的1 .3 1 p m及1 .5 5 p m的l d光源 也已出 现， 光纤通信从多 模发展到单模， 工作波长从0 . 8 5 p m发展到1 .3 1 p m及 1 .5 5 p m的 长波长 通 信窗口 。 由 于昂 贵， 适 合光 纤 通信 发展的高 亮 度发 光二极管 ( l e d , l i g h t e m i tt i n g d i o d e ) 也研制了出 来。 这 样， 随 着符合 光纤传 输要 求的 各 种波长、高效率、长寿命、高速率半导体光源的 研制成功，光纤通信开始了工 业化生产及商业化应用的 新时 期3 1 1 9 7 7 年在美国 芝加哥城的两个电话局间开通了 世界上的一条商用光纤通信 系统。至2 0 世纪8 0 年代初，世界各地开通的光纤通信系统已达上千条.除用 作电话通信外，也用于数据传输、闭路电视、工业控制、监测及军事国防等。 1 9 8 8 年， 第一条跨越大西洋海底、 连接美国东海岸同欧洲大陆的光缆开通。 1 9 8 9 年4月，从美国西海岸经夏威夷及关岛， 连接日 本及菲律宾的跨太平洋海底光 缆开通服务。我国光纤通信起步不晚，但是直到2 0 世纪8 0 年代中期才开始在 推广应用及工业基础方面取得长足进步。 到2 0 0 1 年底全国铺设光缆总长度己达 1 4 9 .5 万公里，其中长途干线光缆3 3 . 5 万多公里。2 0 0 2 年3 月，我国 “ 八横八 纵” 格状国家光通信骨干网 基本建成。近年来， 我国铺设光缆的方向已 经开始 转向 城域网等局部性网络，随着光通信的发展， 我国数据传输速度和质量将得 到改善和提高 16 1 最近十年来， 光 纤 通 信开 始朝着以 密 集波 分复 用 ( d w d m , d e n s e w a v e le n g t h d i v i s i o n m u l t ip l e x i n g ) 为 基础的全光网 络 技 术 方向 发 展。 波分复用 ( w d m ) 指的 是 在单一光纤内同时传输多个不同载波的光波信号。具体说来，就是将光纤的光 第一章 绪论 通 信窗口 ( 如1 .5 5 p m ) 分成若干个区间 ， 每 个区间 为 一 个 信道， 每个 信道对应的 中心波长不同，然后在接收端将各个信道分离出来，这样可以实现数据传输容 量的 成 倍 增长。 通道间隔 很窄( 一般 认 为 信 道 波长间 隔 小 于1 0 0 0 h z ) 的w d m系 统， 称为d wd m系统。 d wd m作为实现高可靠性、高容量及高速度的通信网 络的关键技术，也是目前能经济有效地解决主干网瓶颈问题的技术。基于 d w d m技术和光纤放大器的光纤传输系统， 己 被认为是下一代大容量光纤传输 系统的首选。世界上主要国家已开始利用 d wd m技术进行全光网实验，以寻 求一种具有透明性、可扩性、可重构性的全光网的有效方案，为实现未来的宽 带通信网奠定坚实的基础。 第二节 光放大器简介 在光通信系统中，由于光纤的损耗或色散，信号传输一定距离后都会发生 一定程度的衰减。因此， 信号每传输一段距离光纤传输系统就需要增加一个再 生中继器以 保证信号的质量。早期再生中继器采用的是光*电 *光转换，成本 高，误码率大，通信容量也有一定限制.长时间来，人们一直在寻找用光放大 的方法来代替传统中继方式，即用一个全光传输型中继器代替光*电一光型中 继器。光放大器能直接放大光信号， 对信号的格式和速率具有高度的透明性， 使得整个系统更加简单和灵活。它的出现和实用化，对光纤通信发展有重要意 义16 1 在通信系统中使用的光放大器有多 种类型，主要有半导体光放大器、非线 性光学放大 器( 受激拉曼和受激布里渊) 和稀土 掺杂光纤放大器， 另外还有掺饵 波导放大器。 半导体光 放大器( s o a . s e m i c o n d u c t o r o p t i c a l a m p l i f i e r ) 具有体积小、 增益 大、 带宽大、 驱动电流小、便于集成等优点。 但是由于其存在非线性响应， 可 能造成信道间串扰，而且噪声系数较大，不利于信号接收，因此在光通信系统 中较少使用。 非 线 性光 学放大器主 要包括光纤 拉曼 放大 器 ( f r a . f i b e r r a m a n a m p l i fi e r ) 和光纤布里 渊放大器( f b a . f i b e r b ri l l o u in a m p l i f i e r ) 。非线性光学放大器的工 作原理是基于石英光纤在合适波长的强光泵浦下的非线性效应受激拉曼散 射或受激布里渊散射。 f r a具有增益高、 带宽大、 输出功率大、 噪声低等优点， 第 一 章 绪论 但是f r a的泵浦效率低， 需要 很大的泵浦光功率， 而且它对泵浦光及信号光的 偏振态敏感，增大了系统设计的复杂性。 f b a的带宽窄小，不适合做通信系统 中的放大器，一般在多信道系统中作为信道选择器，对需要的信道进行选择性 放大。 稀土掺杂光纤放大器是利用掺杂在光纤纤芯中的稀土金属离子的能级跃迁 实现对光放大的。光纤通信系统使用的掺杂光纤放大器主要有工作波长为 1 . 5 5 f u n 的 掺饵光纤放 大 器( e d f a . e r b i u m - d o p e d f i b e r a m p l i f i e r ) 和工 作 波长为 1 . 3 0 p r n 的 掺错光纤放 大 器( p r d f a , p r a s e o d y m i u m - d o p e d f i b e r a m p l if i e r ) . e d f a 增益高、带宽大、输出功率高、泵浦效率高、插入损耗低、对偏振态不敏感， 成为当前最具竞争力的光放大器。p r d f a工作在零色散波长窗口，性能优良， 但其掺杂基质是氟化物，与石英光纤熔接困难，且氟光纤强度差， 增加了制造 困难。 掺饵波导 放大器 ( e d w a , e r b i u m - d o p e d w a v e g u i d e a m p l i f i e r ) 是 在 波导中 掺 入饵离子护+ 制成的。 e d w a结构紧 凑、 尺寸小巧、 单 位长 度 增 益高 ， 很适合 于有限空间内的灵活应用。 但是现在e d w a的制造工艺和集成工艺都还存在缺 点，在系统运行中对有源器件的温度湿度控制增加了成本。 对于未来的发展， 掺饵波导制造技术目 前只有少数公司和研究所掌握，但不失为低价光放大器的 一种有竞争力的技术。 第三节 修饵光纤放大器 1 . 3 . 1掺饵光纤放大器概述 e d f a是目前光通信系统中最成熟、使用最广泛的光放大器。在光纤中掺 杂适当浓度的护十 制成e d f a ，由 半导体激光二极管提供足够大的泵浦光， 可 以 在c 波段 ( 1 5 3 0 m n - 1 5 6 5 n m ) 获 得 增 益 . 采 用 特 殊基 质 材 料 如 磅 基 17 1或 链 基 19 1 掺饵光 纤增益波段可以 扩 展到l 波 段 ( 1 5 7 0 n m -1 6 2 0 n m ) o e d f a与d w d m技 术的结合，能极大提高光纤通信系统的性能与通信容量，成为未来光通信发展 的研究重点. e d f a 的工作原理如下所述。 护十 有三个与放大有关的 工作能 级 基态、 亚 稳态 和泵浦态。 e r 0 十 在未 受任 何光 激 励时， 处 于基态 上。 当 泵 浦 光 入 射到 掺饵 第一章 绪论 光纤中时，处于基态的粒子获得能量向上跃迁到泵浦态.由于粒子在该能级上 是不稳定的，它将迅速以无辐射跃迁过程落到亚稳态上。在亚稳态上，粒子有 较长的能级寿命。由于泵浦源不断激发，亚稳态能级上的粒子数就不断增加， 而基态上的粒子数不断减少，最终亚稳态能级上的粒子数将多于基态粒子数。 这样，这段掺饵光纤就实现了 粒子数反转， 实现光放大成为可能。由于s t a r k 效 应， e r 的能级是带 状的。 如果 这时输入的 信号 光的光子能 量刚好位于亚稳态能 带和基态能带的能量差范围内时，亚稳态上的粒子将受激辐射跃迁回到基态上， 并辐射出和入射信号光光子一样的全同光子，从而大大增加了光子数量，使得 信号光在掺饵光纤的传输过程中不断被放大。泵浦光波长不一样时能级跃迁也 有所不同，但从根本上讲都是处于粒子数反转的掺饵光纤在入射信号光作用下 产生受激辐射而使信号光光强变大。 e d f a 具有如下一系列优点 19 1 _ ( 1 ) 工作波长在1 . 5 3 - 1 .5 6 1 u n 范围， 恰好与单 模光纤的最低损耗区域相重合， 因此被e d f a 放大的 光在光纤中的传输损耗小， 能提高中继距离; ( 2 ) 放大频带宽， 能在同 一根光纤中 传输几十甚至上百个信道， 便于扩大传 输容量; ( 3 ) 噪声指数低， 接近量子极限， 意味着可级 联多个放大器; ( 4 ) 增益饱和的恢复时间 长， 各个信道间的串 扰极小; ( 5 ) 增益与偏振及光信号的 传输方向 无关; ( 6 ) 与光纤的 连接损耗低。 这些优点是e d f a能在多种光放大器中脱颖而出， 成为光纤通信系统中信 号放大首选器件的原因。但是e d f a也有一些缺点:传统e d f a所用的掺杂石 英光纤的长度通常在几米到几十米间， 体积大， 成本高，而且难以 协调地放在 一个高度集成的小型光子器件上，满足不了 人们对通信器件小型化、集成化的 要求。这就使e d f a的发展受到e d w a的严峻挑战。 如果能够在厘米数量级的光纤中得到 i o d b以上的放大增益，对于光子集 成和光通信技术无疑是很有意义的。因为超短长度的e d f a制造成本低、单位 增益高、结构紧凑、尺寸小巧，符合人们对通信器件小型化的需要。与e d w a 相比， 超短e d f a在模式匹配、 偏振敏感度、 制造工艺上有很大的优势。 另外， e d f a 的技术成熟可靠，可以 非常容易的与任何损耗器件集成在一起，如隔离 器、相位阵列波导、分插复用器、调制器、 光开关、光交叉连接器等，从而为 第一章 绪论 集成光路引进多种有源元件。目前全光网络设备还未完全进入商用化的阶段， 许多研究机构都投入了较大的力量开发全光网络和 d wd m 中的新技术和新型 的光器件。e d f a可以同时放大多个波长、实现超长距离传输，如果能在小型 化集成化上也具有优势， 无疑将是光放大器的最佳选择。 可以 预见，追求短长 度高增益的大功率光纤器件必将成为未来数年内的一个热点。 1 . 3 . 2掺饵光纤放大器的发展历程 掺饵及其它稀土元素的光纤放大器的 研究始于六十年代中期。 1 9 6 4 年美国 光 学公司 的c . j . k o e s t e r 和e . s n i t z e r 首 先 提出 了 掺杂光纤 放大 器的 构 想1 1 0 1 。 他 们发现， 向 光纤中 掺杂钦元素后可实 现1 .0 6 1 m光 放大。 但是由 于未能 解决热淬 灭效应问 题，没有引起人们的重视， 七十年代时半导体激光器的发展更使光纤 放大器的研究停滞不前。 8 0 年 代中 期， 这种状 况得到了改 变。 1 9 8 5 年 英国南 安普顿 大 学d . p a y n e 等人对掺稀土元素的光纤放大器进行深入的 研究，成功研制出掺饵光纤，并发 现 其在1 .5 1 m i 波 长上能 实 现光增益， 这 正 是 通 信 系统的 低损耗窗口 。 1 9 8 7 年， 他们用红光染料激光器作为泵浦源得到了2 5 d b增益的掺饵光纤放大器，同 年 美国a t / y b 共 掺磷酸盐玻璃的光学性质 第二章 e r + / y b 共掺磷酸盐玻璃的光学性质 山于e r a + 能 级结构的十分丰富， 在泵浦激光作用下的 能级跃迁复 杂，导致 了e d f a的放大性能受掺杂玻璃的影响非常大，玻璃材料的好坏决定了e d f a 的质量。因此对掺杂稀土的玻璃材料的光学性质进行研究，是极其重要的。 第一节 e r + 和y b 3 + 的能级结构 饵和镜都属于悯系元素，具有较为 相似的化学性质。 饵的原子序数为6 8 , 外 层电 子 结 构 为 ( x e ) 4 f 2 6 s 2 0 镜的 原 子 序 数 为7 0 ， 外 层电 子 结 构 为 ( x e ) 4 e 4 6 s 2 o 这里( x e ) 代表惰性气体氛的外层电 子结构.当 饵镜与具有氧化性的原 子结合成 键时， 失 去两 个6 s 电 子 和一个4 f 电 子， 成为 三价的e r 3 + 和y 6 3 + 。由 于护+ 和 y b 十 其它的电 子层 具 有 惰性气体元 素 a的 稳定 结 构， e r + 和y b 十 的能 级跃 迁主 要是发生 在4 f 壳 层 上， 即护+ 、 y b 十 的 光 学 性质由 其能 量 最高壳 层决 定。 护+ 和y b 3 十 最外壳 层众多 电 子可以占 据 不同 的 原 子 轨道， 使宁十 、 y b 3 + 处 于 不同 的 能量状态，形成极其丰富的能级结构。 一4 5 1 n m 一e f 8mn 一5 2 0 n m 反泛山 ff日 4 f 9 ,2一6 5 1 m n a i e rz 8 0 0 n m 、 、 ， 。 一9 8 0 n m 2 f s rz 4 1 t s rz1 5 3 5 n m 气 5 12g ro u n d s ta te e r t + 下” y b 3 + 图2 . 1 e 尸 斗 、 y b 3 + 能 级分布图 e r a + . y b 3 + 主要能级结构如图2 . 1 所示， 图中间 所示波长为各能级粒子向 基 态跃迁的 波长。 需要注意的是， 在固 体基质中e r a + , y b 3 + 能级并不是单一的线， 而是有一定的宽 度。 这是由于玻璃基质材料使 e r a 十 、 y 6 3 十 能级产生均匀和非均 第止 章 e r / y b 共 梅磷 酸 盐玻璃的光学性质 匀的加宽造成的，包括声子加宽和基质电 场对能级的微扰加宽等。这些作用消 除了 部分的能 级简并 度， 4 f 电 子 层的 能 级 产生分裂， 彭+ , y b + 的 每 个电 子能 级形成准能带。这也是e d f a能对一定频带同时产生增益的原因。 第二节 e r / y e双掺的优势 在第一章我们提到了传统的e d f a 所用光纤长度很长，成本高，而且不利于 器件的 集成。 所以， 提高 掺e r 3 + 光纤的 单 位增益， 就成了 科研人员的一个重要研 究方向。由 于 e d f a 尺寸难以 减小的原因 在于 扩+ 对泵浦光的 吸收效率低下， 人 们理所当 然想到增加e r + 掺杂浓度的 方法来 提高 增益。 但是遗憾的 是，当e r 十 浓 度大 于1 护 i o n s / m 时， 宁+ 就会产生严 重的 聚 集， 导 致浓度淬灭， 降 低了 掺杂介 质的 放大性能22 -2 4 ) 人们在很久以前就知 道用两种离 子 共同 掺杂的方式2 5 1 来提高 对泵浦光的吸 收 。 y b 3 + 对 掺 护+ 光 纤 来说 是 一 种 极 佳的 共 掺 离 子。 y b 3 + 的 沙 5 2 能 级 与 护十 的 4 1 1 1 /2 能级 有 很 大的 重叠， 在 9 8 0 m n 激光下的 吸 收 截 面要比 护十 大 将近 一 个数 量级， 而 且能 将 吸收的 泵浦功率 有效 地传递给 e r a 十 。 另 外， y b 3 + 的 吸收 波 段大， 可以 从 8 0 0 n m 延 伸到1 1 0 0 =2 1 71 ， 这就增加了 泵 浦 光 波长的 可选择 性。 图 2 .2 显示了 ,3 + 到 e 尸 十 的 能 量传递过 程。 yb3 十 吸收 9 8 0 n m 泵 浦 光 后从基 态 牛 二 跃 迁到 稼 5 。 能级， 然 后 将能 量 传递 给护+ 后 返回 基态能 级。 护十 吸 收从 yb3 + 传递 过来的 能 量从 基态 跃 迁到、 i i 二 能 级， 然后通过无 辐射弛豫 迅 速跃迁到 气3 2 能级。 y b 3 + 的掺入，能够极大地提高 泵浦 吸收效率，降低高增益下所需的e 尸 十 浓 度。 而且， 掺入 y b 十 后， 每 个 e 尸 + 周围 都 有几个 y -b 3 + ， 这就降 低了 e r a + 离子间的 相 互作用， 减少了高掺杂时的负效应。 c s t r o h h 6 f e r 和 a . p o l m a n 的 研究2 8 表明， y b 3 十 的 掺入对e r + 的荧光 激发有显著的 、 4 1 l s rz e 产 图2 .2 y b 到e r 3 + 的能 量传递 作用. 实 验 利用 a 1 2 0 3 做 助 溶剂， 样品 中 e r 3 + 浓度为 3 .3 5 x 1 o 6 i o n s / m , y b 浓度 为 3 .2 8 x 1 0 26 i o n s / m 3 。 实 验同时 准备了 e r a + / y b 3 + 共掺和单掺 e r 3 + 两组 样品， 样品 用 9 7 5 n m 波长 激光 激发。 如图 2 .3 所示， 强 线为 e t3 + / y b 3 十 共掺样品， 弱 线为单 掺 护十 的样品。 e r a 十 / y b 十 共掺后的 荧光谱形 状没 有大的改变， 但是强度比 单掺e r a + 的提 第二章e r f y b ” 共掺磷酸盐玻璃的光 学性质 高了 6 倍。这说明y -b 3 + 掺入 后泵浦效率有了 很大的 提高。 e a i. o , e v b :a i o , 一/介 之 二 宙/b曰 .盆 口4，.2 ， ， 才 二， 了，巴食.c忍uluol.，1.r三佗山 月 4 5 0 川 娜 尹 口奋 j 1 5 m 1 5 5 0 1 6 0 0 wi de 州n 住 n m ) 图2 .3 单 掺e l 和e r 3 今 乃 飞 3 十 双 掺 样 品 荧 光 谱 比 较 第三节 基质对e r / y b + 共掺材料的影晌 光纤放大器基质材料的选择一般应遵循以下原则: 材料的化学稳定性要好， 成纤性能好，稀土离子在其中溶解度高，并且受激发射截面大，荧光寿命长， 增 益带宽 大等， 对于e r + / y b 3 + 共掺材 料 还希望 其,a3 + 到护十 能 量 传 递效 率高。 目 前玻璃光纤的基质材料选择主要集中在硅酸盐玻璃、 蹄酸盐玻璃、铭酸盐玻 璃、磷酸盐玻璃等。 最早用于e r 3 + 玻璃材料的 硅酸盐玻璃，具有很好的 热稳定 性和化学稳定性， 机 械性能 好， 容易制 成 光 纤。 但是由 于 硅酸盐 对 e r + 的 可 溶性 差， 无 法实 现高 浓 度掺杂。 硅酸盐掺杂数量非 常少的饵元素后就会出 现原子簇导致浓度淬灭【2 4 1 人们曾经对硅酸盐玻璃基质进行了改进，主要方法有掺入a 1 2 0 3 . 几仇等，硅酸 盐 基 质对 e r + 的 可掺杂 浓 度 有了 一定的 提高， 用硅酸 盐基质 做出 的 e r a + / y b + 共掺 光纤放大 器， 其 最大 单 位 增 益 可接近1 d b / c m 1 2 - 1 3 ， 但是 继续 提 高 单 位增 益的余 地很小。于是人们又研究了其它玻璃基质的光学性质。磅酸盐玻璃对稀土离子 的 溶 解 度 高 ， 受 激 发 射 截 面 大 ， 增 益 带 宽 大， 特 别 是 在 1 .4 5 - 1 .6 5 1i m 范 围 内 掺 护十 磅酸盐玻璃具有最大的受激发射截面，被认为是宽带放大器较为理想的基质材 料。 1 9 9 7 年， a . m o r i 等 研 制了 掺e r + 蹄酸盐玻 璃光 纤放大器 ( e d t f a ) ， 对1 . 5 6 g m 第二 章e r a - / y b 一 共 掺磷酸盐 玻 璃的光 学性 质 光的增益达到1 6 d b 2 9 1 0 硼酸盐玻璃是一 类适宜稀土离 子和过渡族离子掺杂且性 质稳定的基质材料，稀土掺杂的硼酸盐玻璃具有熔点低、易制备加工等优点， 具有较高的科研和应用价值，是人们研究的焦点之一 但是碎酸盐玻璃存在毒 性，硼酸盐浓度淬灭效应严重、发光效率低、色纯度差。虽然在实验室里都得 到了一定程度的研究，但是由于它们存在的缺陷而没有得到很好的发展。 表2 . 1不同 基质的 掺e r a 材料 性能比 较 基质材料 稀土离子可溶性 y b 3 -e 产能 量 传递效率 声 子 能 量 ( ) 上转换影响 单位增益 机械性和热稳定性 硅酸盐 l x 1 0 2 7 i o n s / m 3 时蕊就 可以 认 为 是 常 数 3 9 1) .用表达式表示就是: 1 0 - tt + 1 .7 5 x 1 0 -4 ( n 。 一 2 x 1 0 2 6 ) , 1 0 - 2 2 , 1 0 2 to rts 一 : . (2 .7 ) t o r t s t m 第五节 11 . 5 p m波段的吸收截面和发射截面 吸收和发射截面反映了光子与离子相互作用时，随着光子的变化，离子的 上下两个能级之间受激跃迁导致的粒子布居数的分布状况和两个能级之间受激 跃迁几率的变化。 从激光原理中我们知道， 增益系数 9可以由 下式表示: 第二章e 产/ y b 3 共 掺 磷酸盐玻 璃的光学 性质 s ( v ) = c am ( v ) n 2 一 g o b s ( 1) n , 。 对 掺 饵 材 料 来 说 c a bs 为e r a 十 基 态 吸 收 截 面 ， c am 为 激发 态受激发射截 面，n , ，n 2 分 别是处于 基态和激 发态的 粒子数密 度。由 此可见基态吸收截面、 受激发射截面直接关系着信号光的 增益特性。 吸收 截面 可以 通过 吸 收 光 谱直 接 计 算 得 到。 吸收 截 面c o bs 与 吸 收 系 数“ 的 关系是: 口 *( v ) = a ( v ) / n 。 ( 2 . 8 )c a b s ( v ) = a ( v ) / n 其中n e i 为掺杂的e r a 十 数密度。 因此，只要将样品的吸收谱测量出 来，再利用式( 2 .8 ) 就可以 计算出 不同波 长下护十 的 吸收 截面。 而发 射截面可以 用m c c u t n b e r 方法 4 0 1 从吸 收 截面 计算得 到。 对于 掺护+